Bardzo czuły czujnik

Inżynierowie z Princeton stworzyli nowy czujnik. Może i nie byłaby to żadna sensacja, gdyby nie fakt, że opracowanie tego typu sensora było wyzwaniem od kilku dekad. Z powodu tego wynalazku na nowo należałoby chyba zdefiniować pojęcie „próbka badanego materiału”.

Czujnik potrafi wykryć pojedyncze molekuły, na przykład cząstki materiałów wybuchowych lub substancji wydzielanych przez komórki nowotworowe. Sensor jest miliard razy (dosłownie) bardziej czuły od jednego ze swoich poprzedników. Uzyskanie tak wielkiej czułości stało się możliwe dzięki temu, że urządzenie wykorzystuje efekt Ramana: wzmacnia słabe sygnały generowane przez rozproszone światło laserowe. Identyfikacja różnych substancji opiera się na analizie koloru światła odbitego przez próbkę, przy czym pod pojęciem próbka kryć się może pojedyncza molekuła badanej substancji.

Laser wstecznego czasu

Zjawisko to zostało odkryte przez indyjskiego fizyka Chandrasekhara Ramana niecałe 100 lat temu. Polega ono na tym (opisując rzecz w wielkim skrócie), że światło odbite od obiektu (próbki) niesie informację o jego składzie i strukturze molekularnej.

Naukowcy zdawali sobie sprawę z tego, jak efekt Ramana mógłby ułatwić pracę wszystkich laboratoriów świata. Szkopuł tkwił tylko w tym, że nie znano niestety metody, dzięki której udałoby się wzmocnić słabe sygnały Ramana.

Ponad 40 lat temu odkryto, że sygnały te można wzmocnić, jeśli zastosuje się technikę w skrócie określaną jako SERS, a której pełna oficjalna nazwa brzmi powierzchniowo wzmocniona spektroskopia ramanowska. Polega ona na tym, że badaną substancję należy umieścić na chropowatej powierzchni metalowej elektrody (najczęściej srebrnej) lub wytworzyć metaliczny zol. W ten sposób uzyskuje się znaczne wzmocnienie sygnałów.

Laserowy sposób na piratów

Niestety, metoda ta nie była pozbawiona wad. I oto teraz pojawił się SERS w nowym wydaniu: z rzędami filarów wykonanych z metali i izolatorów. Ściany każdej kolumienki pokryte są maleńkimi cząstkami metalu, zwanymi plazmonicznymi nanokropkami – każda z nich ma nie więcej jak 20 nm średnicy. Pomiędzy każdą taką kropką jest 2 nm przerwy.

Nanokropki i luki wzmacniają sygnał Ramana. Zagłębienia pomiędzy filarami działają dwojako: jak swoiste pułapki na światło laserowe – dzięki temu przechodzi ono przez plazmoniczne nanokropki nie raz, ale wiele razy jak wzmacniacze powstającego sygnału ramanowskiego.

Ręczny czujnik do wykrywania materiałów wybuchowych i trucizn

Wynalazek uczonych z Princeton nazywa się "disk-coupled dots-on-pillar antenna-array", czyli D2PA. Chip jest miliard razy bardziej wrażliwy niż było to możliwe do uzyskania przed zastosowaniem wzmocnienia SERS, a kilkakrotnie lepszy od swojego najlepszego poprzednika. Kolejną niewątpliwą zaletą czujnika (po wyjątkowej czułości) ma być to, że proces jego wytwarzania jest ponoć prosty, szybki i tani.

Czyżby potężne, a jakże niepozorne, narzędzie do identyfikacji cząstek było w zasięgu praktycznie każdego laboratorium?

Źródło: Eurekalert